气撑式张弦结构基本力学性能研究

发布时间：2020-10-29 13:16

　　 气撑式张弦结构(Tensairity)是由一种低内压充气囊、下弦柔性索、上弦刚性杆件所组成的轻型混合结构体系。气撑式张弦结构体系构造简单、受力明确、充分利用充气内气压对结构施加预张力,并且为上弦刚性构件提供连续的平面内支撑,从而降低了上弦构件的平面内计算长度,提高了上弦构件的稳定承载力,同时避免了撑杆的稳定问题,发挥了刚性、柔性以及空气等材料的优势,是一种自支撑、自平衡的结构体系,并且制造、运输、施工简捷方便,具有良好的应用前景。 本文将应用大型有限元软件ANSYS构建了纺锤形气撑式张弦结构的精细化有限元模型,实现了结构从零态到初始态再到荷载态的全过程仿真模拟。重点研究了5m跨度的纺锤形气撑式张弦结构在跨中集中力、全跨均布力、半跨均布力作用下的结构变形、内力分布情况等基本静力性能,获得了结构各组成构件的最不利控制截面以及结构的极限承载能力和极限状态。同时分别对15m、25m、35m和50m跨度的纺锤形气撑式张弦结构展开了大规模的系统化参数分析。通过对结构跨径比、充气内压、下弦索截面和上弦截面等结构参数的研究,总结了结构参数变化对结构静力性能的影响规律。主要包括结构最大变形、上弦构件最大轴力、上弦构件最大弯矩、上弦构件的最大应力和下弦最大应力等方面的具体研究。给出了对于不同结构参数的合理的建议取值范围,希望为今后更多的工程设计和实践提供有价值的参考。 为掌握气撑式张弦结构的设计、加工工艺,并为数值分析提供对比依据,针对2.5m跨度的纺锤形气撑式张弦结构开展了模型试验。为保证试验结果的准确性,在试验之前,对模型相似比,关键节点设计、相关测量方案和总体试验方案等问题均进行了详细探讨。通过对试验结果的分析,并和数值计算结果分析对比,发现试验结果和数值结果基本上能吻合,表明本模型设计和节点构造是合理有效的,数值计算方法是正确可行的。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TH21
【部分图文】：

第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 概述1.1.1 气撑式张弦结构概念气撑式张弦结构体系是由瑞士 Airlight.Ldt 公司总工程师 Mauro Pedretti 博士在 2002 年提出的一种新型的结构体系，其英文名为 Tensairity，Tensairity 一词由 tension（张力）、air（空气）和 integrity（整体）三个词合并缩写而成。

气撑式张弦结构可以认为是充气气囊结构与张弦梁结构的组合，因此它综合了上述两种结构的优点：1．与张弦梁相比而言，由于用充气囊替换了支撑杆件，使得上弦刚性杆件的稳定性能大大提高，从而大大提高了材料的利用率，并且避免了撑杆稳定性问题。同时可以大大降低结构自重，从而跨越更大的跨度。由于在充气中即对下弦索施加预拉力，大大方便了施工[2-3]。2．与传统的充气气囊结构比较，在充气气囊上添加了刚性上弦和柔性下弦，使得充气囊在内部气压较小的情况下，其承载力可以达到张弦梁相同的承载力。根据计算，在相同的长细比和相同承载力下，气撑式张弦结构中充气气囊的内气压是传统充气梁内气压的 1/10~1/100，这在一定程度上降低了充气气囊对建筑膜材性能的要求，这也将降低结构的造价，并且使结构具有更好的气密性从而提高结构的安全性[4]。3．在结构受力上，气撑式张弦结构是一种自支撑，自平衡的结构体系，对边界约束的要求很低。上弦构件产生的水平推力由下弦柔性构件承担，使得边界约束主要以受竖向支反力为主，使得支座受力明确，易于设计与制作[6-7]。

1.1.3 气撑式张弦结构的安全性由于气撑式张弦结构使用了充气气囊，气囊的密闭性对结构安全性影响很大。查阅国内外文献资料，本文认为对于气撑式张弦结构的充气气囊的密闭性可以从以下两个方面来保证。1．使用持续的充气装置，现有的充气结构如水立方[8]等中都使用了持续的充气装置——通过气压传感装置来控制气泵，来实现充气气泡的内气压始终维持在设计气压范围内。气撑式张弦结构不同于传统的充气气囊，其气囊的内气压相对较低，因此气囊的漏气量将会很小，并且即使气囊受到外来的破坏，也只需要较小功率的气泵就可以维持住气囊内气压。根据文献[3]中介绍的试验，当气撑式张弦结构的充气气囊的内气压为 0.01MPa 时，气囊上的 1 个 6mm 直径小孔的漏气量只需要 1W 功率的气泵就可以维持，即 1 个 1kw 功率的气泵足以保证气撑式张弦结构的气囊上经受 500 枪 6mm 口径步枪的射击下内气压恒定。由此可见，维持气撑式张弦结构的气囊的内气压，保证结构具有足够的安全性是可行的，并且所需要的日常维护费用也很低[3]。b
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本文编号：2860953